摘 要

随着社会的飞速发展，传统化石能源接近枯竭，能源危机已经成为亟待解决的首要问题，开发更先进的储能方式是开发新能源的先导，锂离子电池作为储能器件的最新领域，已取得了广泛应用，然而受到锂离子电极材料的掣肘，进一步提高其性能十分困难，寻找新型电极材料已成为大势所趋。而自由基聚合物聚三苯胺（PTPAn）具有着和无机电极材料类似的电化学性能，同时由于结构的可设计性，具有着更广泛的前景。

本文以PTPAn作为主体，引入了碳纳米管（CNTs），采用原位聚合的方法合成了PTPAn/CNTs复合电极材料。并对其结构使用SEM、红外光谱分析、紫外光谱分析的方法进行了表征，同时测试了其比容量，循环稳定性、阻抗等电化学性能。

结果表明：红外光谱证明，原位聚合没有破坏聚三苯胺的结构，SEM图表明CNTs均匀地分布在PTPAn中。充放电曲线显示PTPAn/CNTs复合材料具有着优异的容量，达到102.8mAh/g，为聚三苯胺理论容量的94.3%，原位聚合反应也没有改变聚三苯胺的循环稳定性，20次循环之后仍保有94%的容量。阻抗分析表明CNTs的加入显著地减低了电极的阻抗。

关键词：PTPAn ；CNTs；化学共混；电化学性能

Abstract

With the rapid development of society, traditional fossil energy are almost exhausted, so the energy crisis has been one of the most urgent problem to be solved. Novelty energy storage system is the key to the development of new energy. As the latest field of energy storage devices,lithium-ion battery has been widely used, but the properties of lithium-ion battery is hardly to improve for the constraints of electrode material. Searching novelty material to substitute is a general trend. The free radical polymer polytriphenylamine (PTPAn) has a similar electrochemical performance with inorganic electrode materials, and has a broader prospect due to the designable structure.

In this paper, PTPAn / CNTs composite electrode materials were synthesized by in situ polymerization, and their structure were characterized by SEM,IR and UV spectroscopy. The electrochemical performance of the specific capacity, cycle stability and impedance were also investigated.

IR shows that the structure of polytriphenylamine has not been destroyed in situ polymerization, and the SEM images shows CNTs disperses uniformly in PTPAn. The charge and discharge curves show that PTPAn / CNTs composites have excellent capacity of 102.8mAh / g, which is 94.3% of the theoretical capacity of polyaniline. The in situ polymerization does not change the cycling stability of polytriphenylamine. After 20 cycles, PTPAn / CNTs electrode still retain 94% of the initial capacity. Impedance analysis showed that the introduction of CNTs significantly reduced the impedance of the electrodes.

Keyword：PTPAn；CNTs；Chemical blend；electrochemical properties

目 录

第一章 绪论 1

1.1 储能技术 1

1.2 锂离子电池的发展、原理及特点 2

1.2.1 锂离子电池发展历史 2

1.2.2 锂离子电池特点 2

1.2.3 锂离子电池原理 3

1.3 有机自由基电池电化学性能 4

1.4 自由基电池研究进展 6

1.4.1 聚苯胺 6

1.4.2 聚吡咯 6

1.4.3 聚噻吩及其衍生物 7

1.4.4 聚三苯胺 7

1.5 自由基聚合物放电机理 7

1.6 本文所采用方案 8

第二章 实验部分 9

2.1 实验试剂 9

2.2 实验仪器 10

2.3 聚三苯胺的合成 10

2.4 碳纳米管（CNTs）的纯化 10

2.5 PTPAn/CNTs 复合物的合成 11

2.6 制备PTPAn-CNTs 电极以及组装Li/PTPAn-CNTs扣式电池 11

2.7 聚三苯胺、CNTs以及两者复合物的表征 11

2.7.1 傅里叶变化红外光谱（FTIR） 11

2.7.2 扫描电子显微镜（SEM） 12

2.7.3 紫外吸收光谱（UV-vis） 12

2.7.4 电池充放电测试 12

2.7.5 电化学阻抗测试 12

2.7.6 循环伏安测试 12

第三章 结果与讨论 13

3.1 结构分析 13

3.2 电化学性能分析 16

3.2.1 充放电性能分析 16

3.2.2 循环稳定性测试 17

3.2.3 电化学阻抗分析 18

3.2.4 循环伏安法分析 19

第四章 结论 20

参考文献 21

致 谢 24

绪论

1.1 储能技术

随着人类社会的不断前进以及各种化石能源的日趋枯竭，能源问题亟待解决，新型能源器件的开发迫在眉睫^[1]。为解决能源问题，对储能器件的需求越来越高，高质量比容量的二次电池脱颖而出。在锂离子电池（LIBs）投入市场后，一路过关斩将，已经成为二次电池中的佼佼者，其生产量名列前茅，锂离子电池是目前综合性能最好的二次电池：高比容量、长循环寿命、无记忆效应等，这些优点使它成为应用最广泛的储能设备，小至移动通讯，大到电动汽车，航空卫星都使用锂离子电池供能。然而就锂离子电池本身而言，受到其正极材料的限制，却有着质量比容量 ( energy density )和输出功率（power density) 不高、循环周期不长，以及最重要的其安全性不高等缺点，采用如聚三苯胺这类电化学性能优越的自由基聚合物作为正极材料可以有效克服这些缺点。